微波技术与天线第3章.ppt

1、3.1微波脱衣舞传输线3.2介电质波导3.3光纤，第三章涉及微波集成传输线、家庭目录查询，第三章涉及微波集成传输线，上一章介绍了规则金属波导传输系统的传输原理和特性，随着航天事业发展的需要，对微波设备体积小、重量轻， 提出了可靠性高、性能优、一致性好、成本低等要求，促进了微波技术与半导体老虎钳和IC集成电路的耦合，生成了微波集成电路。 对微波集成传输元件的基本要求之一是必须具有能够通过调整单个平面尺寸控制传输特性，实现微波电路集成化的平面型结构。 图3 - 1提供各种集成微波传输系统，可以将图3的各种微波集成传输系统归纳为四种：准TEM波传输系统，主要包括微波脱衣舞传输系统和共面波导等的非TE

2、M波传输路径，主要包括缝隙线， 包括翅片等开放型介电质波导传送路径主要包括介电质波导、镜像波导的半开放型介电质波导，主要包括h型波导、g型波导等。 本章首先探讨了脱衣舞线路、微脱衣舞线路和耦合微脱衣舞线路的传输特性，然后介绍了介电质波导的工作原理，并介绍了一些常用介电质波导，最后对介电质波导的特例光纤波导进行了分析，3.1微脱衣舞传输线、微脱衣舞传输线的基本结构为2 脱衣舞线是从同轴线进化而来的，把同轴线的外导体分成两半后，把一半的外导体左右弄平，把内导体做成扁平脱衣舞线。 图32示出了脱衣舞线的进化过程和结构，从其电场分布结构可以看到其进化特性。 当然，可以将脱衣舞线路理解为与同轴线同样的对

3、称双导体传输线，主要传输TEM波。 微脱衣舞线是由沉积在介电质基板上的金属导体脱衣舞和南非兰特大板块构成的特殊传输系统，可以看作是将无限薄的导体板垂直插入双导体之间。 在图3的脱衣舞线的进化过程和结构中，由于导体板与所有电力线垂直，因此不影响本来的电场分布，将导体圆柱转换为导体脱衣舞，并将介电质材料放入导体脱衣舞之间的微脱衣舞线的进化过程和结构如图33所示。 分别研究了脱衣舞线路、微脱衣舞线路和耦合微脱衣舞线路的传输特性。 1 .脱衣舞线脱衣舞线也称为三板线，它由两块距离为b的接地板和中间宽度为w、厚度为t的矩形截面导体构成，在接地板之间填充了均匀的介质或空气。 如图3 - 2(c )所示。

4、从前面的分析可知，因为脱衣舞线是从同轴线进化而来的，所以具有与同轴线相似的特性，这主要是传输主模式也是TEM，还存在高次TE和TM模式。 脱衣舞线的传输特性残奥仪主要为：图3的微脱衣舞线的演化过程和结构，特性阻抗Z0，衰减常数，相速vp和波导波长g。 1 )由于特性阻抗Z0频带上的传输模式是TEM模式，所以可以用准静态分析方法获得单位长度分布电容c和分布电感l，存在Z0=公式中，相位速度vp=(c是自由空间中的光速)。 可以从方程(3 - 1 - 1)理解，如果获得脱衣舞行的单位长度分布电容c，则可获得其特性阻抗。 求分布电容的方法很多，但常用等效容量法和等角变换法。 修正结果包含椭圆圆函数，

5、如果有厚度则需要修正，因此对工程应用不方便。 这里是一个比较实用的公式定径套，可分为传导带的厚度非零和传导带的厚度非零。 (1)传导带厚度为零时的特性阻抗的校正公式，式中，we是中心传导带的有效宽度，用下式给出：0w/b 0.35 (0.35-w/b ) 2w/b 0.35，(2)制作使用MATLAB来校正上述公式中的各个脱衣舞行的特性阻抗的校正计算计程仪程序，并且，校正计算结果示于图34中。 如可以从该图理解，脱衣舞线的特性阻抗随着w/b的增大而减小，并且随着t/b的增大而减小。 2 )脱衣舞线路的衰减常数脱衣舞线路的损失包括中心脱衣舞和gug南非兰特导体引起的导体损失、两个gug南非兰特之

6、间填充的介电损失以及放射损失。 由形状残奥仪表w/b引起的图3和4的脱衣舞线特性阻抗的变化曲线可忽略脱衣舞线的辐射损耗，因为脱衣舞线接地板通常远大于中心传导带。 因此，脱衣舞线的衰减主要由导体损耗和介质损耗引起，在=c d式中，作为脱衣舞线整体的衰减常数的c是导体的衰减常数，d是介质的衰减常数。 介电质衰减常数由下式给出：其中，g是每脱衣舞线单位长度的漏电导，tan是介电质材料的损耗角正切。 式中，g为以脱衣舞线为单位的长漏电导，tan为介电质材料的损耗正切。 半导体的衰减通常由以下等式(单位np/m )给出(单位Np/m):ac=，其中：RS是半导体的表面阻抗： 3 )因为相位速度和波导脱衣

7、舞线传输的主模式是TEM模式，所以该相位速度是其中波导波长是方程中0或自由空间波长的c或自由空间光速。 4 )脱衣舞线的大小选择、脱衣舞线传送的星空卫视模式是TEM模式，但如果大小选择不合理，则会引起高次模式横电模和TM模式。 在横电模中最低次模式满足TE10模式，其截止波长在TM模式中最低次模式满足TM10模式，为了抑制其截止波长为高次模式，脱衣舞线的最短工作波长满足0mincTE10=0mincTM10=， 尽管脱衣舞线的尺寸满足2 .但是由于在中心传导带和南非兰特板之间存在介电质，因此存在于介电质基板上的微脱衣舞线所传输的波不再是标准的TEM波，纵成分Ez和Hz必然存在。 首先从麦克斯韦

8、方程组证明纵向成分的存在。 以创建如图3 - 5所示的微脱衣舞线坐标。 由于介电质边界两侧的电磁场都满足无源麦克斯韦方程组：且在理想的介电质表面上既没有电流也没有自由电荷，所以根据连续性的原理，在介电质与空气的边界面上，电场与磁场的切线分量连续，即，在Ex1=Ex2、Ez1=Ez2 Hx1=Hx2、Hz1存在的y=h时电磁场的法线成分应满足： Ey2=rEy1 Hy2=Hy1 (3 - 1 - 14b )，首先考虑磁场，根据式(3 - 1 - 13 )的第1式得到，根据边界条件得到。 但是，在频率不是很高的情况下，微脱衣舞线基板的厚度h远远小于微脱衣舞波长，因此此时纵向分量小，其场结构类似于T

9、EM模式，因此一般称为准TEM模式。 其次，分析了微脱衣舞线路的主要传输特性。 1 )特性阻抗Z0满足线方程式，如同在相位快速微脱衣舞线和其他线的情况。 因此，当在TEM模式时忽略损耗时，公式中，l和c分别为微脱衣舞线上的单位长度分布电感和单位长度分布电容。 但是，由于微脱衣舞线的周围没有填充一方的介电质，一方是基板介电质，另一方是空气，因此，两个部分影响相速，其影响的程度由介电常数和边界条件决定。 在存在介电质基板即空气填充的情况下，此时所传输的是单纯的TEM波，此时的相速度与真空中光速大致相等，即vpc=3108m/s。 另一方面，当微脱衣舞线的周围全部被介电质掩埋时，这时也是纯粹的TEM

10、波，并且因为相速度vp=c/，所以实际的被掩埋在介电质部分中的微脱衣舞线(被简称为介电质微脱衣舞)的相速度vp就必须介于c和c/之间。 因此，引入有效介电常数e，以使得介电质微脱衣舞线的相位速度为vp=，有效介电常数e的可取值处于1和r之间，并且具体的数值由相对电容率r和边界条件来决定。设当前空气微脱衣舞线的分布电容为C0，介电质微脱衣舞线的分布电容为C1，则从式(3 - 1 - 22 )和(3 - 1 - 23 )得到C1=eC0或e=，可知有效介电常数e是介电质微脱衣舞线的分布， 由于介电质微脱衣舞线的特性阻抗Z0与空气微脱衣舞线的特性阻抗Z0具有以下关系：因此如果获得空气微脱衣舞线的特性

11、阻抗Z0以及有效介电常数e，则可以通过公式(3 - 1 - 25 )获得。 虽然可以根据等角变换和复素函数求出Z0和e的严密解，但是结果仍然是复杂的超越函数，工程科学上采用了近似式。 以下是实用的修正公式的定径套。 (1)传导带的厚度为零时的空气微脱衣舞的特性阻抗Z0及有效介电常数e，式中，w/h是微脱衣舞的形状比，w是微脱衣舞的传导带宽度h是介电质基板的厚度。 在工序上，可以用填充因子q定义有效介电常数e，即，品质因子的大小反映了介质填充的程度。 当对于q=0，e=1，对应于完全空气填充的q=1时，e=r对应于完全介质填充。 由式(3 - 1 - 27 )得到q与w/h的关系如下： e=1

12、q(r-1 )、(2)传导带厚度不为零时的空气微脱衣舞的特性阻抗Z0传导带厚度不为零时的介电质微脱衣舞的有效介电常数保持为式(3)时，导体厚度t0 这是因为，t0相当于传导带的边缘容量变大、传导带的等效宽度增加。 th、tw/2时，对应的校正式通过替换为所述零厚度特性阻抗计算式，可以获得零厚度时的特性阻抗。 编写用于使用MATLAB校正上述方程的微脱衣舞线中的特性阻抗的校正计程仪程序，并且在r=3.78和r=9.6的情况下校正处于不同传导带厚度的微脱衣舞特性阻抗。 如可以从该图中看到的，在介电质微脱衣舞的特性阻抗随着特性阻抗变大而变小的相同尺寸条件下，特性阻抗随着r变大而变小。 2 )波导波长

13、g的微脱衣舞线的波导波长也称为带内波长，即在图3-6的不同传输带厚度下的微脱衣舞特性阻抗，并且微脱衣舞线的波导波长明显与有效介电常数e相关联，即特性阻抗Z0。 对于相同的工作频率，具有不同特性阻抗的微脱衣舞线具有不同的波导波长。 3 )由于微脱衣舞线路的衰减常数微脱衣舞线路是半开路结构，除导体损耗和介质损耗外，还存在一定的辐射损耗。 但是，在基板的厚度小、相对电容率r大的情况下，由于大部分的电力集中在传导带附近的空间，因此放射损失小，与其他2种损失相比可以忽略，因此着重研究导体损失和介电损失引起的衰减。 (1)导体衰减常数c由于在微脱衣舞线的金属导体脱衣舞和南非兰特大板块双方都存在射频波表面电

14、流，因此存在热损失，但是由于难以求出表面电流的精确分布，因此也难以得到修正导体衰减的精确修正公式。 在工程上，RS是半导体表面阻抗，we是t非零情况下传导带的等效宽度，通常使用以下近似校正公式： 为了减少导体的损耗，除了选择表面阻抗模量小的导体材料(金、银、铜)外，对微脱衣舞线的加工工艺也有严格的要求。 另外一方面，之所以增大导体脱衣舞厚度，是因为受趋肤效应的影响，导体脱衣舞越厚导体损耗越小，所以一般导体厚度取58倍的趋肤深度，另外一方面导体脱衣舞表面的粗糙度尽可能小，一般在微米级以下。 (2)介电质衰减常数d对于均匀的介电质传输线，其介电质衰减常数确定：其中tan是介电质材料的损耗角正切；

15、因为实际的微脱衣舞只填充了一部分的介质，所以必须使用以下的补正式。 式中，为介质损耗角的填充系数。 总之，可以忽略介电质衰减，因为微脱衣舞线的导体衰减远远大于介电质衰减。 但是，在使用硅或砷化镓等半导体材料作为介电质基板的情况下，微脱衣舞线的介电质衰减相对较大，不容忽视。4 )微脱衣舞线的分散特性前的微脱衣舞线的分析全部基于准TEM方式条件进行。 当频率低时，这一假设是符合实际的。 然而，实验证明，当工作频率超过5GHz时，介电质微脱衣舞线的特性阻抗与相位速度的校正结果与实际有很大不同。 这表明，当频率高时，由微脱衣舞线的TE和TM模式构成的高次模式具有特性阻抗与相位速度根据频率的变化而变化，

16、即，色散特性。 实际上，频率越高，相速vp越低，则e越大，对应的特性阻抗Z0应该越小。 因此，通常通过校正公式来校正介电质微脱衣舞线的传送特性。 下面给出的这个组的公式的适用范围是：2r16、0.06w/h16和f100GHz。 有效介电常数e(f )可以通过下面的公式来校正：其中，5 )高阶模式和微脱衣舞尺寸选择微脱衣舞线的高阶模式有两个模式：波导模和表面波模式。 波导模存在于传导带和南非兰特板之间，表面波模式只要在南非兰特板上有介电质基板就可以存在。 波导模有横电模和TM模式，横电模的最低模式为TE10模式，TM模式的最低模式为TM01模式，其截止波长在表面波模式中导体表面的介电质基板将电

17、磁波约束在导体表面附近不扩散，为了使电磁波在导体表面传播而称为表面波，其中最低模式为TM模式即TM0模式TE1模式的截止波长通过以上的分析，为了抑制高次模式的发生，微脱衣舞的尺寸应该满足，实际上微脱衣舞中采用的基板是纯度为99.5%的氧化铝陶瓷混合双打(r=9.510，tan=0.0003 )， 聚四氯乙烯(r=2.1 )使用基板的厚度一般在0.0080.08 mm之间，而且一般有金属屏蔽罩，受到声干扰的保护。 屏蔽罩的高度为H(5-6)h，格南非兰特板宽度为a(5-6)w。 3 .耦合微脱衣舞线耦合微脱衣舞线，简称为耦合微脱衣舞线，由两根平行配置且相互接近的微脱衣舞线构成。 耦合微脱衣舞线有不对称和对称两种结构。 两条微脱衣舞线尺寸完全相同的是对称耦合微脱衣舞线，尺寸不同的是非对称耦合微脱衣舞线。 耦合微脱衣舞线可以被用于各种定向耦合器、滤波器、平衡及不平衡转换器等的设定修正。 在此仅介绍对称耦合微